具有饱和、转移试样功能的粗粒土三轴制样器及制样法

本发明属于粗粒土力学性质测试技术领域，具体涉及一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法。

背景技术：

我国西北地区粗粒土地区分布广泛，兴建在粗粒土地基上或以粗粒土作为工程材料的大型水电工程的数量呈现出激增的态势，以至于水利工程中饱和粗粒土静、动力特性成研究为工程领域中重要的内容。粗粒土三轴试验测定力学性能时，通常从工程现场取散体粗粒土试样至室内试验室，通过制样模具将粗粒土重塑并制作成高径比为2-2.5的圆柱体，且试样直径等于或者大于最大粒径5倍，故常采用一种直径200mm，高度450mm的标准圆柱试样。为了模拟粗粒土坝料在饱和状态下在运行的力学状态，通常将制作好的试样进行饱和处理后进行三轴试验。由于粗粒土为散粒体，在无外侧模板支撑下很难维持固定的形状。粗粒土的三轴试验中制样的通常的做法是在粗粒土三轴试验机的底座上安装制样模具通过采用人工击实、测量、旋压、液压、振动等静、动荷载等方式获取与实际工程中一致的试样总体密度且相对均匀的试样后，在通过试验机本身的加水压设备进行饱和。

现有技术中由于三轴试样体型较大，且粗粒土空隙率相对较大，若仅利用三轴试验机水泵或者高位水箱饱和土样，则需要耗费相当长的时间。且仅在水头作用下饱和，则可能在粗粒土试样之间发生饱和不均匀、不充分的现象。另外，粗粒土三轴力学实验往往需要制备多个试样进行对比结果，而常规饱和粗粒土三轴试样制备过程需要分层压实粗粒土、装卸制样器各部件，过程相对复杂且耗时。其制样过程只能在三轴压力试验机上进行，故一次只能制得一个试样，大大限制了实验的效率。常规粗粒土三轴试样不能实现在三轴压力实验机下制备多个试样再转移、运输到三轴试验机上进行力学实验，且转移过程中对粗粒土三轴试样的扰动程度难以控制，大大限制了粗粒土三轴试验的速度与制样质量控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法，解决了现有的饱和速度较慢、制样步骤限定在三轴压力试验机上进行，即同时制备试样数量单一且无法转移粗粒土试样，无法精准控制试样密度的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器，包括反力架底座、试样帽和制样桶底座，其特征在于：所述反力架底座的上端安装有凸台，所述反力架底座上开设有环形槽，所述反力架底座的上开设有多个均匀分布的连接螺孔，每个所述连接螺孔的内部通过螺纹连接有刚性反力柱，所述凸台的外侧套接有橡胶膜，所述橡胶膜的外侧套接有两个对称分布的环形止水夹，所述制样筒底座的外侧固定连接有制样筒，所述橡胶膜与所述制样筒接触，所述制样筒上设置有接缝，所述制样筒上固定连接有多个均匀分布的卡槽紧箍，所述卡槽紧箍的内部通过螺纹连接有紧箍螺栓。

进一步，所述三瓣式圆形制样筒的内部滑动连接有推头圆饼，所述推头圆饼的内部转动连接有螺纹旋压杆，所述螺纹旋压杆的外侧通过螺纹连接有反力架圆形盖板，所述反力架圆形盖板上开设有中心螺栓孔，所述反力架圆形盖板上开设有多个均匀分布的连接螺栓孔，每个所述刚性反力柱上均通过螺纹连接有两个对称分布的螺栓帽，所述三瓣式圆形制样筒的内部设置有两个对称分布的透水板，所述环形止水夹的上端的内部套接有试样帽，所述试样帽的一侧固定连接有抽气阀，所述试样帽上中心至抽气阀间开设有透气孔。

进一步，所述凸台上设置有控水阀，所述反力架底座上设置有进水阀，所述凸台上开设有多个均匀分布的起吊孔，所述制样筒底座的内部设置有底座箍环，所述制样筒底座的内部设置有底座平台，所述制样筒底座的外侧固定连接有四个均匀分布的把手环，所述试样帽的外侧固定连接有四个均匀分布的把手环，所述起吊孔的内部固定连接有钢丝绳，所述钢丝绳的一端固定连接有起吊横梁。

进一步，所述凸台上开设有多个导水沟槽，多个所述导水沟槽在所述凸台上均匀分布。

进一步，四个所述刚性反力柱从所述连接螺栓孔中穿过，两个所述螺栓帽均与所述反力架圆形盖板接触。

进一步，所述反力架底座上开设有透水气孔，所述透水气孔在所述反力架底座的中心位置开设，且该透水气孔与进水阀连通。

进一步，所述凸台上设有透水气孔，该透水气孔反力架底座上的透水气孔连通。

本方案的原理在于：饱和过程中，水从高位水箱通过导管到达反力架底座处进水阀，进入反力架底座中，穿越反力架底座从其顶面中心位置流入反力架底座以上的圆柱凸台中的竖向透水孔和控水阀到达圆柱凸台顶面，水流通过圆柱凸台顶面设置的环形与放射形状的导水凹槽，穿过透水板进入试样内部，直到到达试样的顶面的透水板和试样帽，穿过试样帽中的透气孔，从抽气阀排出。

试样饱和之后，关闭反力架底座上的进水阀及圆柱凸台上的控水阀。在维持负压条件下拆去外侧制样桶及制样桶底座，在橡胶膜外侧裹紧数层保鲜膜后保持试样直立。将4个吊钩插入圆柱凸台底侧的起吊孔中，利用吊机吊装横梁转移至三轴试验机上等待实验。

本方案的有益效果在于：本发明通过螺纹旋压杆带动推头圆饼精准控制分层重塑粗粒土总密度；通过控制进水阀、控水阀、抽气阀可实现快速饱和、试样脱模后自立；通过起样孔、钢丝绳、起吊横梁可实现在三轴压力实验机下制备多个试样、方便转移试样到三轴试验机上。与传统的设备相比，本方案可大幅度地减少试样的饱和时间，并可方便的转移至试验机上，操作方便。

本方案的另一目的在于提供一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样方法，具体步骤如下：

(1)将带透水气孔、控水阀的圆柱凸台安装在反力架底座中心处，在圆柱凸台上放置透水板，把圆筒形橡胶膜底部套在圆柱凸台外侧并夹紧环形止水夹；

(2)制样筒底座放置在圆柱凸台外侧，其底部卡入反力架底座的环形槽中；

(3)将三瓣式圆形制样筒逐一安放在底座平台上，制样桶底部外侧卡入底座箍环中，并保证三瓣式圆形制样筒的三片模板连接处的接缝对准且卡紧，通过制样桶外径紧箍螺栓固定，将超出制样桶高度的橡胶膜顶部外翻至制样桶顶部的外侧；

(4)按照控制平均密度方法将试样分成多份，在橡胶膜内侧为分层填铺一定厚度的粗粒土试样后，将圆形反力盖板用螺栓连接固定在反力柱顶部的同一个水平面上，并将带刻度的螺纹旋压杆穿过反力架圆形盖板中心螺栓孔中，利用套有连接螺纹旋压杆且可旋转的推头圆饼压样，通过旋转螺杆顶部一侧的手柄将填铺的粗粒土旋压至指定的厚度以控制其整体密度，然后通过螺纹旋压杆将推头圆饼退出制样桶，继续分层填铺粗粒土试样，再次旋压，重复此部操作，直到试样达到设计高度；

(5)拆下连接有刚性螺纹杆的推头圆饼、反力架圆形盖板、刚性反力柱，在试样顶部安装透水板、抽气阀试样帽，把外翻在制样桶外侧的橡胶膜翻转至试样帽底部并夹紧环形止水夹；

(6)调控圆柱凸台上的控水阀以关闭圆柱凸台内的透水气孔，打开试样帽上的抽气阀，并在抽气阀处外接可维持负压力的抽气泵，施加30-50kpa负压力，检查试样膜连接、圆柱凸台与反力架底座之间的连接无漏气时，可持续0.5-1小时的负压力后拆去外侧制样桶使试样保持直立，在橡胶膜外侧裹紧数层保鲜膜，反力架底座处的进水阀外接高位水箱，打开反力架底座处的进水阀和圆柱凸台上的控水阀，保持负压力30kpa进行粗粒土试样的充分饱和，直至抽气阀中出现均匀连续的水流，关闭反力架底座上进水阀及圆柱凸台上的控水阀，拆去抽气泵、高位水箱导管，制样桶底座；

(7)将四个吊钩插入圆柱凸台底侧的起吊孔中，利用吊机吊装横梁转移至三轴试验机上等待实验；

(8)圆柱形粗粒土土样制备、饱和、转移样完毕，可供动三轴压缩试验测试使用。

附图说明

图1为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的示意图；

图2为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的底座的正视图

图3为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的三瓣式圆形制样筒的俯视图；

图4为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图3的局部放大图；

图5为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的三瓣式圆形制样筒的正视图；

图6为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的反力架底座的爆炸图；

图7为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的凸台的爆炸图；

图8为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的透水板的轴侧图；

图9为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的制样筒底座的示意图；

图10为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的制样筒底座的俯视图；

图11为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的制样筒底座的轴侧图；

图12为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的试样帽的放大图；

图13为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的试样帽的俯视图；

图14为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图1的试样帽的轴侧图；

图15为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的饱和及转移过程的示意图；

图16为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图15的剖视图；

图17为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的转移过程示意图；

图18为本发明实施例具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法的图17的剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：反力架底座1、凸台2、环形槽3、透水板4、刚性反力柱5、橡胶膜6、环形止水夹7、制样筒底座8、三瓣式圆形制样筒9、接缝10、卡槽紧箍11、紧箍螺栓12、反力架圆形盖板13、螺纹旋压杆14、推头圆饼15、手柄16、螺栓帽17、连接螺栓孔18、中心螺栓孔19、试样帽20、抽气阀21、透气孔22、透水气孔23、进水阀24、控水阀25、起吊孔26、底座箍环27、底座平台28、把手环29、连接螺孔30、粗粒土试样31、钢丝绳32、起吊横梁33、导水沟槽34。

如图1-10、图15-18所示，本实施例提供一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器及制样方法，包括反力架底座1和制样桶底座8，反力架底座1的上端固定连接有凸台2，反力架底座1上开设有环形槽3，反力架底座1的上开设有四个均匀分布的连接螺孔30，每个连接螺孔30的内部通过螺纹连接有刚性反力柱5，凸台2的外侧套接有橡胶膜6，橡胶膜6的外侧套接有两个对称分布的环形止水夹7，制样筒底座8的外侧固定连接有三瓣式圆形制样筒9，橡胶膜6与三瓣式圆形制样筒9接触，三瓣式圆形制样筒9上设置有接缝10，三瓣式圆形制样筒9上固定连接有多个均匀分布的卡槽紧箍11，卡槽紧箍11的内部通过螺纹连接有紧箍螺栓12，三瓣式圆形制样筒9的内部滑动连接有推头圆饼15，推头圆饼15的内部固定转动连接有螺纹旋压杆14，螺纹旋压杆14的外侧通过螺纹连接有反力架圆形盖板13，反力架圆形盖板13上开设有中心螺栓孔19，反力架圆形盖板13上开设有多个均匀分布的连接螺栓孔18，四个刚性反力柱5从连接螺栓孔18中穿过，两个螺栓帽17均与反力架圆形盖板13接触，通过螺栓帽17可以将反力架圆形盖板13进行固定。

如图1-14所示，每个刚性反力柱5上均通过螺纹连接有两个对称分布的螺栓帽17，三瓣式圆形制样筒9的内部设置有两个对称分布的透水板4，环形止水夹7的上端套接有试样帽20，试样帽20的内部固定连接有抽气阀21，试样帽20上开设有透气孔22，凸台2上设置有控水阀25，反力架底座1上设置有进水阀24，凸台2上开设有多个均匀分布的起吊孔26，钢丝绳32从制样筒底座8外侧的把手环29的内部穿过，钢丝绳32从试样帽20外的把手环29中穿过，通过钢丝绳32可以将装置提起，凸台2上开设有多个导水沟槽34，多个导水沟槽34在凸台2上均匀分布，通过设置多个导水沟槽34可以将反力架底座1内部的水分充分排出。

如图6-14所示，制样筒底座8的内部设置有底座箍环27，制样筒底座8的内部设置有底座平台28，制样筒底座8的外侧固定连接有四个均匀分布的把手环29，试样帽20的外侧固定连接有四个均匀分布的把手环29，起吊孔26的内部固定连接有钢丝绳32，钢丝绳32的一端固定连接有起吊横梁33，透水板4上开设有多个透水气孔23，多个透水气孔23在透水板4上均匀分布，通过设置透水气孔23可以将多余的水分排出。反力架底座1上开设有透水气孔23，透水气孔23在反力架底座1的中心处开设，该透水气孔23与上设置有进水阀。凸台2的中心也设有一个透水气孔23，该透水气孔与反力架底座上的透水气孔连通。这样，打开进水阀，水箱内的水就可通过透水气孔进入制样桶内。

根据实验要求粗粒土试样31为圆柱形试样，高450mm，直径为200mm。

制样器水平向尺寸要求：试样的直径与放在反力架底板之上的圆柱凸台顶部直径、透水板直径、圆筒形橡胶膜内侧直径、试样帽外侧直径相同，圆饼形推头。试样的外表面包裹一层橡胶膜，厚度3mm，橡胶膜外径与制样桶内径、制样桶底座平台内侧直径相匹配，取206mm。制样桶外侧直径与制样桶底座箍环的内侧直径相匹配，制样桶壁厚10mm，即制样桶外径226mm。制样桶底座部件的底部圆环可放入反力架底座环形槽中，两者尺寸相匹配，其内外径分别为246mm、265mm。反力架底座顶面带有圆形凹陷，其尺寸与圆柱凸台底面尺寸相匹配，两者之间用橡胶圈密封，防止漏水。

制样器竖直尺寸方面要求：制样筒高度略大于制样过程中时试样顶部位置，制样筒高度宜取为550mm。橡胶膜顶部超过制样桶高度50mm，底部套在圆柱形凸台上的长度为25mm，透水板高度为10mm，故橡胶膜长度为645mm。

圆柱凸台的高度为40mm，制样桶底座总高度为80mm，其中制样桶底座平台至制样桶底座底部圆环底面65mm，制样桶底座环箍高度15mm，反力架底座顶面环形凹槽深度10mm，顶面圆形凹陷深度2.5mm，即自下至上依次安装反力架底板、圆柱凸台、透水板后，在圆柱凸台外侧安装制样桶底座，并将其卡入反力架底座环形凹槽后，此时制样桶底座平台的高度与透水板高度相一致。

对排气/水孔的设置与连接做以下要求：带有透水孔、控水阀的圆柱凸台其顶面至底面中心位置设置竖向透水孔，且能通过调控水平方向的控水阀来实现圆柱凸台中的透水孔的开启与闭合。反力架底座顶面中心位置到其进水阀位置之间设置有透水孔。试样帽一侧的抽气阀与试样帽底部中心位置间设置透气孔，试样帽底部设置向上的锥形凹陷。试样帽上的抽气阀外接可维持气压在30kpa负压的抽气泵，试样帽上的抽气阀、圆柱凸台上的控水阀均能够承受制样过程产生的负压。圆柱凸台顶面布设由中心位置向四周放射形的和环向的导水沟槽数条，形成网格细小透水凹槽，并与透水板透水孔相互匹配。试样帽一侧的抽气阀与试样帽底部中位置之间设置透气孔，抽气阀外接可控制气压的抽气泵，试样帽底部设置向上的锥形凹陷。

对粗粒土试样31饱和过程中水流的方向做一下要求：饱和过程中，水从高位水箱通过导管到达反力架底座处进水阀，进入反力架底座中，穿越反力架底座从其顶面中心位置流入反力架底座以上的圆柱凸台中的竖向透水孔和控水阀到达圆柱凸台顶面，水流通过圆柱凸台顶面设置的环形与放射形状的导水凹槽，穿过透水板进入试样内部，直到到达试样的顶面的透水板和试样帽，穿过试样帽中的透气孔，从抽气阀排出。

对已经抽气、水头饱和的试样进行转移试样过程要求为：试样饱和之后，关闭反力架底座上的进水阀及圆柱凸台上的控水阀。在维持负压条件下拆去外侧制样桶及制样桶底座，在橡胶膜外侧裹紧数层保鲜膜后保持试样直立。将4个吊钩插入圆柱凸台底侧的起吊孔中，利用吊机吊装横梁转移至三轴试验机上等待实验。吊运过程中保持试样的竖直、避免碰撞。

一种具有饱和、转移试样功能的旋压式粗粒土三轴实验制样器制样过程，具体步骤如下：

(1)将带透水气孔23、控水阀25的圆柱凸台2安装在反力架底座1中心处，在圆柱凸台2上放置透水板4，把圆筒形橡胶膜6底部套在圆柱凸台2外侧并夹紧环形止水夹7；

(2)制样筒底座8放置在圆柱凸台2外侧，其底部卡入反力架底座1的环形槽3中；

(3)将三瓣式圆形制样筒9逐一安放在底座平台28上，制样桶底部外侧卡入底座箍环27中，并保证三瓣式圆形制样筒9的三片模板连接处的接缝10对准且卡紧，通过制样桶外径紧箍螺栓12固定，将超出制样桶高度的橡胶膜6顶部外翻至制样桶顶部的外侧；这样，橡胶膜可起到良好的辅助固定作用。

(4)按照控制平均密度方法将试样分成多份，在橡胶膜6内侧为分层填铺一定厚度的粗粒土试样31后，将圆形反力盖板用螺栓连接固定在反力柱顶部的同一个水平面上，并将带刻度的螺纹旋压杆14穿过反力架圆形盖板13中心螺栓孔19中，利用套有连接螺纹旋压杆14且可旋转的推头圆饼15压样，通过旋转螺杆顶部一侧的手柄16将填铺的粗粒土旋压至指定的厚度以控制其整体密度，然后通过螺纹旋压杆14将推头圆饼15退出制样桶，继续分层填铺粗粒土试样31，再次旋压，重复此部操作，直到试样达到设计高度；

(5)拆下连接有刚性螺纹杆的推头圆饼15、反力架圆形盖板13、刚性反力柱5，在试样顶部安装透水板4、抽气阀21试样帽20，把外翻在制样桶外侧的橡胶膜6翻转至试样帽20底部并夹紧环形止水夹7；这样，橡胶膜又保证了设备的密封性。

(6)调控圆柱凸台2上的控水阀25以关闭圆柱凸台2内的透水气孔23，打开试样帽20上的抽气阀21，并在抽气阀21处外接可维持负压力的抽气泵，施加30-50kpa负压力，检查试样膜连接、圆柱凸台2与反力架底座1之间的连接无漏气时，可持续0.5-1小时的30kpa负压力后拆去外侧制样桶使试样保持直立，在橡胶膜6外侧裹紧数层保鲜膜。反力架底座1处的进水阀24外接高位水箱，打开反力架底座1处的进水阀24和圆柱凸台2上的控水阀25，保持负压力30kpa进行粗粒土试样31的充分饱和，直至抽气阀21中出现均匀连续的水流，关闭反力架底座1上进水阀24及圆柱凸台2上的控水阀25，拆去抽气泵、高位水箱导管，制样桶底座；

(7)将四个吊钩插入圆柱凸台2底侧的起吊孔26中，利用吊机吊装横梁转移至三轴试验机上等待实验；

(8)圆柱形粗粒土土样制备、饱和、转移样完毕，可供动三轴压缩试验测试使用。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。